JP2005095934A - レーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被溶接材に設定された複数の溶接ポイントに短時間のタクトで安定確実かつ高効率のスポット溶接を行うこと。
【解決手段】 先ずレーザ光学系１４において、ガルバノメータ・スキャナ３２が目的の溶接ポイントＰへのスキャニングを行う。次いで、電源部１２において、電源制御部５２が、レーザ出力測定値ＭＬＢをレーザ出力ピーク設定値に対応する基準信号Ｓrefに一致または追従させるように、パルス幅設定値に相当する期間に亘ってスイッチング素子４８のスイッチング動作を制御する。こうして、レーザ発振部１０からは設定通りのピーク出力およびパルス幅でパルスレーザ光ＬＢが発振出力され、レーザ光学系１４のガルバノメータ・スキャナ３２よりパルスレーザ光ＬＢが被溶接材Ｗの溶接ポイントＰ₂に集光照射される。

【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ溶接技術に係り、特に被溶接材にパルスレーザ光を照射してスポット溶接を行うレーザ溶接装置に関する。

レーザ溶接は、レーザ光を加工点に集光して被溶接材をレーザのエネルギーで一瞬に溶融して接合する技術であり、被溶接材の材質や板厚の変更に柔軟かつ迅速に対応でき、異種金属の溶接もできる等の特長がある。従来より、被溶接材を局部的に溶接するスポット溶接には、パルス発振型のＹＡＧレーザ溶接装置が多用されている。

従来のパルス発振型ＹＡＧレーザ溶接装置は、電源部に電力蓄積用のコンデンサを設け、該コンデンサをパルスレーザのパルス幅に相当する時間だけ放電させ、その放電電流をレーザ発振部の励起光源に供給するようにしている。レーザ発振部では、励起光源が電源部からの電力（放電電流）の供給を受けて点灯または発光し、その励起光によってレーザ媒体のＹＡＧロッドを励起してパルスレーザ光を発振出力するようにしている。ここで、パルスレーザ光のピーク出力は該コンデンサの放電開始時の電圧または充電電圧によって決まる。したがって、たとえば、１ｋＷのピーク出力でスポット溶接を行うときはコンデンサの充電電圧を３００Ｖに設定し、３ｋＷのピーク出力でスポット溶接を行うときはコンデンサ充電電圧を５００Ｖに設定する。レーザ発振部より発振出力されたパルスレーザ光は、ミラーや光学レンズ等で構成されるレーザ光学系を介して被溶接材上の設定箇所つまり溶接ポイントに照射される。パルスレーザ光を照射された溶接ポイントでは、レーザエネルギーによって被溶接材の表面が溶融し、さらに表面からの熱伝導によって溶融部分が内奥に広がり、被溶接材の重ね合わされた２枚の板材が溶接される。

ところで、被溶接材を複数の箇所（溶接ポイント）でそれぞれ局部的に溶接するスポット溶接では、被溶接材上でパルスレーザ光の照射位置を各溶接ポイントへ順次移動させる必要がある。このレーザ走査を行うために、レーザ光学系側を固定して被溶接材をＸＹテーブル上で水平方向に移動させるＸＹテーブル方式か、あるいは被溶接材側を固定テーブル上に固定してレーザ光学系側でガルバノメータ型の光走査器を用いてパルスレーザ光の照射位置を光学的に走査するスキャニング方式が採られている。両方式のうち、スキャニング方式の方が高速走査を行うのに断然適している。

しかしながら、従来のパルス発振型ＹＡＧレーザ溶接装置では、スキャニング方式を採用しても、上記のように電源部内の電力蓄積用コンデンサを充電する電圧によってパルスレーザ光のピーク出力が決まるため、高速走査を実現することが困難であった。すなわち、或る溶接ポイントにおいてたとえば１ｋＷのピーク出力でスポット溶接を行ったのち次の溶接ポイントにおいてたとえば３ｋＷのピーク出力でスポット溶接を行うべき場合、レーザ光学系側ではスキャン・ミラーの振れ角の制御によりレーザ照射位置の移動を瞬時に行えるものの、電源部側で電力蓄積用コンデンサの充電電圧を１ｋＷ用の設定値（３００Ｖ）から３ｋＷ用の設定値（５００Ｖ）まで上げるのに相当の時間（充電時間）を費やし、この充電時間によって次の溶接ポイントへの実質的なタクト時間が律則されてしまうという問題があった。また、電力蓄積用コンデンサの充電電圧を下げる場面でも、たとえば３ｋＷ用の設定値（５００Ｖ）から１ｋＷ用の設定値（３００Ｖ）に切り換える場合、切り換え直後はレーザ出力が安定しないため、スキャン・ミラーを被溶接材の無い所定の方角へ向けて最初の一発ないし数発のパルスレーザ光をダミーとして捨て打ちする必要があり、時間だけでなくエネルギーでも無駄な損失があった。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、被溶接材に設定された複数の溶接ポイントに短時間のタクトで安定確実かつ高効率のスポット溶接を行えるようにしたレーザ溶接装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のレーザ溶接装置は、被溶接材上に設定された溶接ポイントにパルスレーザ光を照射して前記パルスレーザ光のエネルギーで前記被溶接材を溶接するためのレーザ溶接装置において、レーザ媒体とこのレーザ媒体を光で励起する励起光源とを有し、前記励起光源に供給される電力に応じたレーザ出力で前記パルスレーザ光を発生するレーザ発振部と、前記レーザ発振部からの前記パルスレーザ光を前記溶接ポイントへ向けて反射するためのスキャン・ミラーを有し、前記被溶接材上で前記パルスレーザ光の照射位置を光学的に走査するレーザ走査部と、前記レーザ発振部より発生された前記パルスレーザ光のレーザ出力を測定するレーザ出力測定部と、前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値をフィードバックして前記レーザ発振部の励起光源に電力を供給する電源部とを有する。

上記の構成においては、レーザ走査部により被溶接材におけるパルスレーザ光の照射位置を高速に移動できるとともに、レーザ出力測定部および電源部で構成されるレーザパワー・フィードバック系により精度および応答性に優れた電力をレーザ発振部の励起光源に供給できることで、短いタクトで各溶接ポイントに対するスポット溶接を順次実行し、各溶接ポイント毎に設定通りの溶接条件で被溶接材を溶接することができる。

本発明の好適な一態様におけるレーザ走査部は、レーザ発振部からのパルスレーザ光を入射する第１の軸で回転可能な第１のスキャン・ミラーと、第１のスキャン・ミラーで反射されたパルスレーザ光を入射する第１の軸と直交する第２の軸で回転可能な第２のスキャン・ミラーと、パルスレーザ光の照射位置を第１の方向において溶接ポイントに位置合わせするために第１のスキャン・ミラーを回転駆動して所定のミラー回転角度に合わせる第１のガルバノメータと、パルスレーザ光の照射位置を第２の方向において溶接ポイントに位置合わせするために第２のスキャン・ミラーを回転駆動して所定のミラー回転角度に合わせる第２のガルバノメータと、第２のスキャン・ミラーで反射されたパルスレーザ光を入射して溶接ポイントに集光する集光レンズとを有する。

本発明の好適な一態様における電源部は、レーザ発振部の励起光源に供給する電力を蓄積するコンデンサと、このコンデンサと励起光源との間に接続されたスイッチング素子と、コンデンサを予め設定された充電電圧に充電する充電部と、レーザ出力測定部からのレーザ出力測定値をレーザ出力設定値と比較し、比較誤差に基づいてスイッチング素子をスイッチング制御する電源制御部とを有する。この構成の電源部において、好ましくは、電源制御部は、スイッチング素子をパルス幅制御方式でスイッチング制御してよい。また、充電部は、商用周波数の交流を整流して直流に変換する第１の整流回路と、この第１の整流回路より出力された直流を高周波パルスに変換するインバータと、このインバータの出力を一次側コイルに入力し、二次側コイルより昇圧された高周波パルスを出力するトランスと、このトランスの二次側コイルより出力された高周波パルスを整流して該コンデンサに直流の充電電流を供給する第２の整流回路と、該コンデンサの充電電圧を測定する電圧測定部と、この電圧測定部より得られる電圧測定値が充電電圧設定値付近に維持されるようにインバータのスイッチング動作を制御する充電電圧制御手段とを有してよい。さらに好ましくは、充電部が、該コンデンサに供給される充電電流を測定する電流測定手段と、この電流測定手段より得られる充電電流測定値を充電電流設定値に一致させるように前記インバータのスイッチング動作を制御する充電電流制御手段とを有してよい。

本発明のレーザ溶接装置によれば、上記のような構成および作用により、被溶接材に設定された複数の溶接ポイントに短時間のタクトで安定確実かつ高効率のスポット溶接を行うことができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態におけるパルス発振型ＹＡＧレーザ溶接装置の構成を示す。このレーザ溶接装置は、レーザ発振部１０、電源部１２、レーザ光学系１４、制御系１６、レーザ出力測定部８６等から構成されている。

レーザ発振部１０は、チャンバ１８内に配置された励起用光源たとえば励起ランプ２０およびレーザ媒体たとえばＹＡＧロッド２２と、チャンバ１８の外でＹＡＧロッド２２の光軸上に配置された一対の光共振器ミラー２４，２６とを有している。チャンバ１８内で励起ランプ２０およびＹＡＧロッド２２は、チャンバ外の冷却部（図示せず）より循環供給される冷却媒体たとえば冷却水によって温調される。励起ランプ２０がパルス点灯して励起光を発すると、その励起光のエネルギーでＹＡＧロッド２２が励起され、ＹＡＧロッド２２の両端面より光軸上に出た光が光共振器ミラー２４，２６の間で反射を繰り返して増幅されたのちパルスレーザ光ＬＢとして出力ミラー２４を抜け出る。出力ミラー２４より抜け出たパルスレーザ光ＬＢはレーザ光学系１４の入射ユニット２８に送られる。

レーザ光学系１４は、スキャニング方式の光学系であり、レーザ発振部１０より入射ユニット２８に受け取ったパルスレーザ光ＬＢを光ファイバ３０を介してガルバノメータ・スキャナ３２に伝送し、後述するように制御系１６の制御の下でガルバノメータ・スキャナ３２よりパルスレーザ光ＬＢを被溶接材Ｗの溶接ポイントに集光照射する。

図２に、ガルバノメータ・スキャナ３２内の構成例を示す。このガルバノメータ・スキャナ３２は、互いに直交する回転軸３４Ｘ，３４Ｙに取り付けられたＸ軸スキャン・ミラー３６ＸおよびＹ軸スキャン・ミラー３６Ｙと、両ミラー３６Ｘ，３６Ｙをそれぞれ回転振動（首振り）させるＸ軸ガルバノメータ３８ＸおよびＹ軸ガルバノメータ３８Ｙとを有している。

光ファイバ３０の端面より放射状に出たパルスレーザ光ＬＢは、コリメータレンズ４０によって平行光線となり、先ずＸ軸スキャン・ミラー３６Ｘに入射して、そこで全反射してからＹ軸スキャン・ミラー３６Ｙに入射し、このミラー３６Ｙで全反射してのちｆθレンズ４２を通って被加工材Ｗの溶接ポイントＰ付近に集光する。被加工材Ｗ上のパルスレーザ光ＬＢの照射位置は、Ｘ方向においてはＸ軸スキャン・ミラー３６Ｘの振れ角によって決まり、Ｙ方向においてはＹ軸スキャン・ミラー３６Ｙの振れ角によって決まる。Ｘ軸スキャン・ミラー３６ＸはＸ軸ガルバノメータ３８Ｘの駆動で矢印Ａ，Ａ’方向に回転振動（首振り）し、Ｙ軸スキャン・ミラー３６ＹはＹ軸ガルバノメータ３８Ｙの駆動で矢印Ｂ，Ｂ’方向に回転振動（首振り）するようになっている。

Ｘ軸ガルバノメータ３８Ｘは、たとえば、Ｘ軸スキャン・ミラー３６Ｘに結合された可動鉄片（回転子）と、この可動鉄片に接続された制御バネと、固定子に取り付けられた駆動コイルとを有している。後述する制御系１６のスキャナ制御部９２よりＸ方向スキャニング制御信号に応じた駆動電流が電気ケーブル４４Ｘを介してＸ軸ガルバノメータ３８Ｘ内の該駆動コイルに供給されることで、該可動鉄片（回転子）が該制御バネに抗してＸ軸スキャン・ミラー３６Ｘと一体にＸ方向スキャニング制御信号の指定する角度に振れるようになっている。

Ｙ軸ガルバノメータ３８Ｙも同様の構成を有しており、上記スキャナ制御部９２よりＹ方向スキャニング制御信号に応じた駆動電流が電気ケーブル４４Ｙを介してＹ軸ガルバノメータ３８Ｙ内の駆動コイルに供給されることで、Ｙ軸ガルバノメータ３８Ｙ内の可動鉄片（回転子）がＹ軸スキャン・ミラー３６Ｙと一体にＹ方向スキャニング制御信号の指定する角度に振れるようになっている。

再び図１において、レーザ電源部１２は、レーザ発振部１０の励起ランプ２０に供給すべきレーザ発振用の電力を蓄積するコンデンサ４６と、このコンデンサ４６と励起ランプ２０との間に接続されたスイッチング素子４８と、コンデンサ４６を充電するための充電回路５０と、電源部内の各部、特にスイッチング素子４８や充電回路５０を制御するための電源制御部５２とを有する。

スイッチング素子４８は、たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）からなり、電源制御部５２より駆動回路５４を介して与えられる高周波数（たとえば２０ｋＨｚ）のスイッチング制御信号ＳＣに応じてオン・オフするようになっている。スイッチング素子４８と励起ランプ２０との間には、インダクタンスコイル５６とフライホイール・ダイオード５８と逆流防止ダイオード６０とを含むランプ電流供給回路が設けられている。スイッチング素子４８がオンすると、コンデンサ４６、スイッチング素子４８、インダクタンスコイル５６、逆流防止ダイオード６０および励起ランプ２０を含む閉回路でランプ電流Ｉ_Rが流れる。つまり、コンデンサ４６に蓄積されていたエネルギーが放電電流として励起ランプ２０に供給される。スイッチング素子４８がオフすると、フライホイール・ダイオード５８、インダクタンスコイル５６、逆流防止ダイオード６０および励起ランプ２０を含む閉回路でランプ電流Ｉ_Rが流れる。つまり、インダクタンスコイル５６に蓄積されていたエネルギーが還流電流として励起ランプ２０に供給される。

充電回路５０は、商用交流たとえば三相交流電源電圧（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を直流に変換してコンデンサ４６を所定の直流電圧に充電する。図３に、充電回路５０の構成例を示す。この充電回路５０は、整流回路６２、インバータ６６、昇圧トランス７０および整流回路７４を有する。

整流回路６２は、たとえば６個のダイオードを三相ブリッジ結線してなる三相整流回路からなり、三相交流電源電圧（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を所定レベルの電圧に変換（整流）する。整流回路６２より出力された直流電圧は、平滑コンデンサ６４を介してインバータ６６の入力端子ＩＮ_a，ＩＮ_b間に印加される。

インバータ６６は、たとえばＧＴＲ（ジャイアント・トランジスタ）またはＩＧＢＴからなるブリッジ結線された４個のスイッチング素子Ｑ₁，Ｑ₃，Ｑ₂，Ｑ₄を有している。これら４個のスイッチング素子のうち、第１組（正極側）のスイッチング素子Ｑ₁，Ｑ₃は駆動回路６８からの同相の駆動パルス（スイッチング制御信号）Ｓ₁，Ｓ₃により同時にオン・オフし、第２組（負極側）のスイッチング素子Ｑ₂，Ｑ₄は駆動回路６８からの同相の駆動パルス（スイッチング制御信号）Ｓ₂，Ｓ₄により同時にオン・オフするようになっている。第１組の駆動パルス（Ｓ₁，Ｓ₃）と第２組の駆動パルス（Ｓ₂，Ｓ₄）とは互いに逆相の関係を有している。

インバータ６６の出力端子ＯＵＴ_a，ＯＵＴ_bは昇圧トランス７０の一次側コイルに接続されている。第１組のスイッチング素子Ｑ₁，Ｑ₃がオンして、第２組のスイッチング素子Ｑ₂，Ｑ₄がオフする時は、昇圧トランス７０の一次側回路で一次電流Ｉ₁が正方向に流れる。第１組のスイッチング素子Ｑ₁，Ｑ₃がオフして、第２組のスイッチング素子Ｑ₂，Ｑ₄がオンする時は、一次電流Ｉ₁が負方向に流れる。こうして、インバータ６６は、整流回路６２より入力する直流電圧を高周波数のスイッチングで切り刻むようにして高周波交流のパルスを出力する。

昇圧トランス７０の二次側コイルは、一対のダイオード７２Ａ，７２Ｂからなる整流回路７４を介してコンデンサ４６に接続されている。昇圧トランス７０の二次側回路において、二次側コイルに得られる昇圧された高周波交流は整流回路７４で整流され、整流回路７４より出力される直流の充電電流Ｉ₂によってコンデンサ４６が充電される。

この実施例では、二次側の充電電流Ｉ₂を電流センサたとえばカレント・トランス７６および電流測定回路７８で測定するとともに、コンデンサ端子間電圧（充電電圧）Ｖ_cを電圧センス線８０および電圧測定回路８２で測定する。そして、一次側でインバータ６６のスイッチング素子Ｑ₁，Ｑ₂，Ｑ₃，Ｑ₄を駆動回路６８を介してスイッチング（オン・オフ）制御する充電制御回路８４に、電流測定回路７８からの電流測定値ＭＩ₂と電圧測定回路８２からの電圧測定値ＭＶ_cとを帰還している。充電制御回路８４は、定電流フィードバック制御を行うために、電流測定回路７８からの電流測定値ＭＩ₂を設定電流値と比較し、比較誤差に応じたＰＷＭ（パルス幅制御）方式のスイッチング制御信号Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃，Ｓ₄を生成する。また、充電制御回路８４は、電圧測定回路８２からの電圧測定値ＭＶ_cをモニタし、電圧測定値ＭＶ_cが設定電圧値付近に維持されるようにコンデンサ充電動作を制御する。

再び図１において、レーザ出力測定部８６は、レーザ発振部１０の光共振器ミラー２４，２６において全反射ミラー２６の背後に漏れたレーザ光ＬＢ'を受光するフォトセンサと、このフォトセンサより出力される電気信号に基づいてパルスレーザ光ＬＢのレーザ出力を測定する測定回路とを有しており、該測定回路より得られるレーザ出力測定値信号ＭＬＢを電源制御部５２に与える。一方で、電源制御部５２には、クロック回路８８からの高周波スイッチング用の基本クロックＣＫと、主制御部９０からの基準信号Ｓrefとが与えられる。

電源制御部５２は、レーザ出力測定部８６より得られるレーザ出力測定値ＭＬＢが基準信号Ｓrefに一致または追従するように、スイッチング素子４８のスイッチング（オン・オフ）動作を制御する。このレーザパワー・フィードバック制御を行うために、電源制御部５２は、レーザ出力測定部８６からのレーザ出力測定値ＭＬＢを基準信号Ｓrefと比較し、比較誤差に応じたＰＷＭ方式のスイッチング制御信号ＳＣを生成する。

制御系１６は、主制御部９０、スキャナ制御部９２および入力部９４等を有する。主制御部９０は、マイクロコンピュータで構成されてよく、装置全体の動作を統括制御する。特に、スポット溶接に際しては、スキャナ制御部９２を介してレーザ光学系１４のガルバノメータ・スキャナ３２にレーザ照射位置の移動（走査）を行わせるとともに、電源制御部５２を通じて電源部１２およびレーザ発振部１０にパルスレーザ発振を行わせる。入力部９４は、キーボードやディスプレイあるいは通信インタフェース等を含み、各種条件設定値その他のデータを入力する。

次に、図４〜図８につきこの実施形態のレーザ溶接装置における作用を説明する。

図４に、この実施形態における被溶接材Ｗの一例を示す。この被溶接材Ｗは、金属からなる２枚の板材ｗ_a，ｗ_bを重ね合わせたものである。２段階の板厚を有する板材ｗ_a側から溶接ポイントＰにパルスレーザ光を照射して両板材ｗ_a，ｗ_bをスポット溶接する。この例では、たとえば仮止め用のスポット溶接を行うために、板材ｗ_aの肉薄部に２箇所の溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂を設定し、板材ｗ_aの肉厚部に２箇所の溶接ポイントＰ₃，Ｐ₄を設定している。

かかる被溶接材Ｗに対しては、入力部９４より予め各溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄について所望の加工条件が設定入力される。図５に、レーザ条件の設定例を示す。この例では、各溶接ポイントＰ_n（ｎ＝１〜４）に割り当てられる各１個のパルスレーザ光ＬＢ_nについて、レーザエネルギー（Ｊ）、レーザ出力ピーク値（ｋＷ）およびパルス幅（ｍｓ）の各条件が設定される。図５の例では、板材ｗ_aの肉薄部に設定された溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂に対するパルスレーザ光ＬＢ₁，ＬＢ₂については、レーザエネルギーが「１Ｊ」、レーザ出力ピーク値が「１ｋＷ」およびパルス幅が「１ｍｓ」にそれぞれ設定されている。また、板材ｗ_aの肉厚部に設定された溶接ポイントＰ₃，Ｐ₄に対するパルスレーザ光ＬＢ₃，ＬＢ₄については、レーザエネルギーが「３Ｊ」、レーザ出力ピーク値が「３ｋＷ」およびパルス幅が「１ｍｓ」にそれぞれ設定されている。なお、他の加工条件として、溶接作業テーブル（図示せず）上の各溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄に対応するレーザ照射位置等も設定入力される。主制御部９０は、設定入力された加工条件のデータを内蔵のメモリに格納する。

図６に、このレーザ溶接装置におけるスポット溶接加工の主要な手順を示す。被溶接材Ｗが溶接作業テーブル上で位置決めされた後に、外部装置（たとえば搬送ロボット）より主制御装置９０に起動信号が入力され、装置内の各部で初期化が行なわれる（ステップＳ₁）。

初期化の後、主制御部９０は、最初の溶接ポイントＰ₁に係る条件の設定値、特にレーザ照射位置、レーザ出力ピーク値およびパルス時間の各設定値をメモリより読み出して所定のレジスタにセットし（ステップＳ₂）、所定のシーケンスで各部を作動させる。

先ず、スキャナ制御部９２を通じてレーザ光学系１４のガルバノメータ・スキャナ３２に最初の溶接ポイントＰ₁へのスキャニングを行わせる（ステップＳ₃）。上記したように、ガルバノメータ・スキャナ３２においては、被溶接材Ｗ上のレーザ照射位置が、Ｘ方向においてはＸ軸スキャン・ミラー３６Ｘの振れ角によって決まり、Ｙ方向においてはＹ軸スキャン・ミラー３６Ｙの振れ角によって決まる。かくして、スキャナ制御部９２の制御の下で、Ｘ軸ガルバノメータ３８ＸおよびＹ軸ガルバノメータ３８ＹがそれぞれＸ軸スキャン・ミラー３６ＸおよびＹ軸スキャン・ミラー３６Ｙを溶接ポイントＰ₁に対応するミラー振れ角に合わせる。このガルバノメータ・スキャナ３２におけるスキャニング動作は極短時間たとえば数ｍｓ以内で完了する。

次に、主制御部９０は、電源部１２の電源制御部５２に最初の溶接ポイントＰ₁に係るレーザ出力ピーク値およびパルス時間の各設定値を与えてレーザ発振部１０への電力投入を開始させる。電源部１２では、前以て充電回路５０によりコンデンサ４６を設定電圧（たとえば６７０Ｖ）に充電している。したがって、主制御部９０からの指示を受けると、電源制御部５２は直ちにスイッチング素子４８を介してコンデンサ４６に蓄積されている電力をレーザ発振部１０の励起ランプ２０に供給して、励起ランプ２０をパルス点灯させ、レーザ発振部１０よりパルスレーザ光ＬＢを発振出力させる（ステップＳ₄）。

この際、電源制御部５２は、レーザ出力測定部８６より得られるレーザ出力測定値ＭＬＢがピーク出力設定値（１ｋＷ）に対応する基準信号Ｓrefに一致または追従するように、パルス幅設定値（１ｍｓ）に相当する期間に亘ってスイッチング素子４８のスイッチング（オン・オフ）動作を制御する。このレーザパワー・フィードバック制御によれば、レーザ発振部１０の励起ランプ２０に供給される電力がスイッチング素子４８におけるスイッチング（オン・オフ）のデューティ比で可変制御され、コンデンサ４８の端子間電圧Ｖ_cには依存しない。また、コンデンサ４６に蓄積されている電力がパルス幅に相当する短時間の内にレーザ発振部１０の励起ランプ２０に放出されることにより、コンデンサ４６の端子間電圧Ｖ_cが一瞬ドロップする。しかし、充電回路５０からの充電によってコンデンサ電圧Ｖ_cは直ぐに設定電圧（６７０Ｖ）に復帰することができる。

こうしてレーザ発振部１０からは、図７に示すように、設定通りのピーク出力（１ｋＷ）およびパルス幅（１ｍｓ）でパルスレーザ光ＬＢ₁が発振出力される。そして、このレーザ発振部１０からのパルスレーザ光ＬＢ₁は、レーザ光学系１４において光ファイバ３０の中を伝搬して、ガルバノメータ・スキャナ３２より被溶接材Ｗの溶接ポイントＰ₁に集光照射される。該溶接ポイントＰ₁においては、パルスレーザ光ＬＢ₁のエネルギーによって上部板材ｗ_aの表面が一瞬に溶融し、さらに表面からの熱伝導により溶融部分が下部板材ｗ_bまで広がり、両板材ｗ_a，ｗ_bが溶接される（図８）。

上記のようにして最初の溶接ポイントＰ₁に対するスポット溶接を終えると、主制御部９０は２番目の溶接ポイントＰ₂に係る条件設定値（レーザ照射位置、レーザ出力ピーク値、パルス時間等）をメモリより読み出して所定のレジスタにセットし（ステップＳ₅→Ｓ₆→Ｓ₂）、溶接ポイントＰ₁に対するのと同様の手順で各部を動作させる。

すなわち、先ずレーザ光学系１４において、ガルバノメータ・スキャナ３２が２番目の溶接ポイントＰ₂へのスキャニングを行う（ステップＳ₃）。次いで、所定のタイミングで、つまり前回のパルス発振の終了時から一定時間Ｔ_c（たとえば３〜２０ｍｓ）経過後に、電源部１２においてレーザ発振部１０に対する電力の投入を開始し、電源制御部５２が、レーザ出力測定値ＭＬＢをピーク出力設定値（１ｋＷ）に対応する基準信号Ｓrefに一致または追従させるように、パルス幅設定値（１ｍｓ）に相当する期間に亘ってスイッチング素子４８のスイッチング（オン・オフ）動作を制御する（ステップＳ₄）。このときも、レーザ発振部１０に投入される電力はスイッチング素子４８におけるスイッチング（オン・オフ）のデューティ比で決まり、コンデンサ４６の端子間電圧Ｖ_cには依存しない。こうして、レーザ発振部１０からは、図７に示すように、設定通りのピーク出力（１ｋＷ）およびパルス幅（１ｍｓ）で２番目のパルスレーザ光ＬＢ₂が発振出力される。そして、このパルスレーザ光ＬＢ₂がレーザ光学系１４のガルバノメータ・スキャナ３２より被溶接材Ｗの溶接ポイントＰ₂に集光照射され、該溶接ポイントＰ₂において両板材ｗ_a，ｗ_bが溶接される（図８）。

上記のようにして２番目の溶接ポイントＰ₂に対するスポット溶接を終えると、主制御部９０は３番目の溶接ポイントＰ₃に係る条件設定値（レーザ照射位置、レーザ出力ピーク値、パルス時間等）をメモリより読み出して所定のレジスタにセットし（ステップＳ₅→Ｓ₆→Ｓ₂）、上記と同様の手順で各部を動作させる。

すなわち、先ずレーザ光学系１４において、ガルバノメータ・スキャナ３２が３番目の溶接ポイントＰ₃へのスキャニングを行う（ステップＳ₃）。次いで、電源部１２においてレーザ発振部１０に対する電力投入を開始する。電源部１２では、レーザ発振部１０より発振出力されるパルスレーザ光ＬＢのピーク出力に関係なくコンデンサ４６の端子間電圧Ｖ_cを常時設定値付近に保持しているため、ピーク出力設定値１ｋＷの溶接ポイントＰ₂からピーク出力設定値３ｋＷの溶接ポイントＰ₂へ移行するに際しても、コンデンサ４６の端子間電圧または充電電圧Ｖ_cの調整に時間を要することなく、所望のタイミングで（この例では一定の休止時間Ｔ_c後に）レーザ発振部１０に対する電力投入を開始することができる。そして、電源制御部５２が、レーザ出力測定値ＭＬＢをピーク出力設定値（３ｋＷ）に対応する基準信号Ｓrefに一致または追従させるように、パルス幅設定値（１ｍｓ）に相当する期間に亘ってスイッチング素子４８のスイッチング（オン・オフ）動作を制御する（ステップＳ₄）。このレーザパワー・フィードバック制御により、レーザ発振部１０からは、図７に示すように、設定通りのピーク出力（３ｋＷ）およびパルス幅（１ｍｓ）で３番目のパルスレーザ光ＬＢ₃が発振出力される。このパルスレーザ光ＬＢ₃がレーザ光学系１４のガルバノメータ・スキャナ３２より被溶接材Ｗの溶接ポイントＰ₃に集光照射され、この溶接ポイントＰ₃において両板材ｗ_a，ｗ_bが溶接される（図８）。

こうして３番目の溶接ポイントＰ₃に対するスポット溶接を終えると、次に４番目の溶接ポイントＰ₄に対するスポット溶接が上記と同様の手順および動作で行なわれる。この場合も、４番目のパルスレーザ光ＬＢ₄が設定通りのピーク出力（３ｋＷ）およびパルス幅（１ｍｓ）で４番目の溶接ポイントＰ₄に集光照射され、この溶接ポイントＰ₄で両板材ｗ_a，ｗ_bが溶接される（図８）。

なお、図７において、レーザ出力（測定値）の波形に含まれるリップルｒｐの周期ｔ_sはスイッチング素子４８のスイッチング（オン・オフ）の周期に相当するものである。たとえば、スイッチング周波数が２０ＭＨｚの場合、ｔ_sは５０μｓｅｃである。

上記のように、この実施形態のパルス発振型ＹＡＧレーザ溶接装置においては、被溶接材Ｗ上に設定された複数の溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，‥‥について溶接条件、特にパルスレーザ光ＬＢのピーク出力を異なる値に設定しても、スキャニング方式のレーザ光学系１４によりレーザ照射位置を極短時間の内に目的の溶接ポイントＰ_nに走査移動できるとともに、電源部１２ではレーザパワー・フィードバック制御により任意のタイミングでレーザ発振部１０に所望の電力を投入できるため、コンデンサ４６の端子間電圧または充電電圧Ｖ_cの調整に時間を要することもなければ、いわゆる捨て打ちでダミーのパルスレーザ光ＬＢを無駄に出射する必要もなく、短いタクトで溶接ポイントＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，‥‥に対するスポット溶接を順次実行し、各溶接ポイント毎に設定通りの溶接条件で被溶接材Ｗを溶接することができる。

図４の例は、第１および第２の溶接ポイント（Ｐ₁，Ｐ₂）と第３および第４の溶接ポイント（Ｐ₃，Ｐ₄）間で板厚が異なる場合であった。他の加工例として、複数の溶接ポイント間で板材の材質が異なる場合もある。たとえば、下部板材ｗ_bが銅で、上部板材ｗ_aが真鍮の板材ｗ_a1とリン青銅の板材ｗ_a2とからなり、真鍮の板材ｗ_a1およびリン青銅の板材ｗ_a2にそれぞれ溶接ポイントが設定される場合である。このような場合でも、レーザ出力のピーク値やパルス幅等の条件設定値を各溶接ポイント毎に独立して選定することで対応可能であり、上記と同様に短いタクトで各溶接ポイントに設定通りのスポット溶接を順次実行することができる。また、図７のレーザ出力波形は一例であり、パルスレーザ光ＬＢのレーザ出力波形（設定値）として任意の基準値または基準波形を設定することができる。

以上好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その技術思想の範囲内で種々の変形・変更が可能である。たとえば、レーザ光学系１４において、光ファイバ３０を用いずに、レーザ発振部１０からのパルスレーザ光ＬＢを直接またはベントミラーを介してガルバノメータ・スキャナ３２に送ることも可能である。ガルバノメータ・スキャナ３２内のミラー回転構造（図２）も種々の変形が可能である。レーザ発振部１０においては、励起光源２０として半導体レーザを使用することも可能である。電源部１２においては、三相交流電源（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を単相交流電源に置き換え、充電回路５０を単相式のものに置き換える構成や、インバータ６６および昇圧トランス７０をチョッパ方式昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータに置き換える構成等が可能である。

本発明の好適な一実施形態によるパルス発振型ＹＡＧレーザ溶接装置の全体構成を示すブロック図である。 実施形態のレーザ溶接装置におけるガルバノメータ・スキャナ内の構成例を示す斜視図である。 実施形態のレーザ溶接装置における充電回路の構成例を示す回路図である。 実施形態における被溶接材の一例を示す斜視図である。 実施形態における加工条件（レーザ条件）の設定例を示す図である。 実施形態のレーザ溶接装置における一連のスポット溶接のための手順を示すフローチャートである。 実施形態におけるレーザ出力波形（設定値および測定値）の一例を示す図である。 実施形態において被溶接材の各溶接ポイントに得られる溶接部（溶け込み部）の断面構造を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０ レーザ発振部
１２ 電源部
１４ レーザ光学系
１６ 制御系
２０ 励起ランプ（励起光源）
２２ レーザ媒体
３２ ガルバノメータ・スキャナ
３４Ｘ，３４Ｙ 回転軸
３６Ｘ Ｘ軸スキャン・ミラー
３６Ｙ Ｙ軸スキャン・ミラー
３８Ｘ Ｘ軸ガルバノメータ
３８Ｙ Ｙ軸ガルバノメータ
４２ ｆθレンズ
４６ コンデンサ
４８ スイッチング素子
５０ 充電回路
５２ 電源制御部
６２ 整流回路
６６ インバータ
７０ 昇圧トランス
７４ 整流回路
７６ 電流センサ
７８ 電流測定回路
８２ 電圧測定回路
８４ 充電制御回路
８６ レーザ出力測定部
９０ 主制御部
９２ スキャナ制御部
９４ 入力部

Claims (6)

1. 被溶接材上に設定された溶接ポイントにパルスレーザ光を照射して前記パルスレーザ光のエネルギーで前記被溶接材を溶接するためのレーザ溶接装置において、
   レーザ媒体とこのレーザ媒体を光で励起する励起光源とを有し、前記励起光源に供給される電力に応じたレーザ出力で前記パルスレーザ光を発生するレーザ発振部と、
   前記レーザ発振部からの前記パルスレーザ光を前記溶接ポイントへ向けて反射するためのスキャン・ミラーを有し、前記被溶接材上で前記パルスレーザ光の照射位置を光学的に走査するレーザ走査部と、
   前記レーザ発振部より発生された前記パルスレーザ光のレーザ出力を測定するレーザ出力測定部と、
   前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値をフィードバックして前記レーザ発振部の励起光源に電力を供給する電源部と
   を有するレーザ溶接装置。
2. 前記レーザ走査部が、
   前記レーザ発振部からの前記パルスレーザ光を入射する第１の軸で回転可能な第１のスキャン・ミラーと、
   前記第１のスキャン・ミラーで反射された前記パルスレーザ光を入射する前記第１の軸と直交する第２の軸で回転可能な第２のスキャン・ミラーと、
   前記パルスレーザ光の照射位置を第１の方向において前記溶接ポイントに位置合わせするために前記第１のスキャン・ミラーを回転駆動して所定のミラー回転角度に合わせる第１のガルバノメータと、
   前記パルスレーザ光の照射位置を第２の方向において前記溶接ポイントに位置合わせするために前記第２のスキャン・ミラーを回転駆動して所定のミラー回転角度に合わせる第２のガルバノメータと、
   前記第２のスキャン・ミラーで反射された前記パルスレーザ光を入射して前記溶接ポイントに集光する集光レンズと
   を有する請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 前記電源部が、
   前記レーザ発振部の励起光源に供給する電力を蓄積するコンデンサと、
   前記コンデンサと前記励起光源との間に接続されたスイッチング素子と、
   前記コンデンサを予め設定された充電電圧に充電する充電部と、
   前記レーザ出力測定部からのレーザ出力測定値をレーザ出力設定値と比較し、比較誤差に基づいて前記スイッチング素子をスイッチング制御する電源制御部と
   を有する請求項１または請求項２に記載のレーザ溶接装置。
4. 前記電源制御部が、前記スイッチング素子をパルス幅制御方式でスイッチング制御する請求項３に記載のレーザ溶接装置。
5. 前記充電部が、
   商用周波数の交流を整流して直流に変換する第１の整流回路と、
   前記第１の整流回路より出力された直流を高周波パルスに変換するインバータと、
   前記インバータの出力を一次側コイルに入力し、二次側コイルより昇圧された高周波パルスを出力するトランスと、
   前記トランスの二次側コイルより出力された前記高周波パルスを整流して前記コンデンサに直流の充電電流を供給する第２の整流回路と、
   前記コンデンサの充電電圧を測定する電圧測定部と、
   前記電圧測定部より得られる充電電圧測定値が充電電圧設定値付近に維持されるように前記インバータのスイッチング動作を制御する充電電圧制御手段と
   を有する請求項３または請求項４に記載のレーザ溶接装置。
6. 前記充電部が、
   前記コンデンサに供給される充電電流を測定する電流測定手段と、
   前記電流測定手段より得られる充電電流測定値を充電電流設定値に一致させるように前記インバータのスイッチング動作を制御する充電電流制御手段と
   を有する請求項５に記載のレーザ溶接装置。

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